[發(fā)明專利]一種面向無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的無人機能耗最優(yōu)飛行控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011016447.X
• 申請日: 2020-09-24
• 公開（公告）號: CN112068596B
• 公開（公告）日: 2022-11-15
• 發(fā)明（設計）人: 熊潤群;王洲杰;羅軍舟;單馮;金嘉暉
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 南京眾聯(lián)專利代理有限公司 32206
• 代理人: 景鵬飛

1.一種面向無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的無人機能耗最優(yōu)飛行控制方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

步驟(1)、針對傳感器呈二維平面分布的場景，以及已知功率與飛行速度函數(shù)關系的無人機，依據(jù)場景中傳感器的位置、傳輸范圍以及數(shù)據(jù)量初始化場景信息，依據(jù)已知的能耗模型計算無人機飛行單位距離最節(jié)能速度；

所述步驟(1)中，依據(jù)場景中傳感器的位置、傳輸范圍以及數(shù)據(jù)量初始化場景信息的具體方法為：假設n個異構傳感器不均勻的分布在二維平面內(nèi)，使用p(x，y)表示二維平面中的任意一點，其中x為水平方向坐標，y為垂直方向坐標；無人機沿著固定高度H從初始點S＝(x_s，y_s)飛往目的地D＝(x_D，y_D)；使用s_i＝(x_i，y_i)表示傳感器i的位置，其中1≤i≤n，n為傳感器數(shù)目；每個傳感器i，1≤i≤n擁有不同的傳輸范圍r_i，當無人機飛行到該傳輸范圍內(nèi)時，傳感器方能向無人機發(fā)送數(shù)據(jù)；不失一般性，使用傳輸時間t_i來描述每個傳感器的傳輸數(shù)據(jù)量；

所述步驟(1)中，依據(jù)已知的能耗模型計算無人機飛行單位距離最節(jié)能速度的具體方法為：根據(jù)無人機功率與速度關系p＝p(v)，計算最節(jié)能速度V^*，其中，v_max表示該無人機所能行駛的最大速度，V^*計算如下：若等式(1)存在有理解，將該有理解記為v₁，則V^*＝min(v₁，v_max)，否則V^*＝v_max；

步驟(2)、根據(jù)步驟(1)獲得的場景信息，在初始點與目的地之間添加一條虛擬路徑，以總路徑長度最短為目標迭代搜索哈密頓回路，確定傳感器數(shù)據(jù)采集順序；

所述步驟(2)的具體方法如下：

步驟(2.1)、根據(jù)步驟(1)所初始化的場景信息，包括需采集的傳感器位置坐標和無人機的起始點；在初始點與目的地之間添加一條虛擬的路徑，隨機生成一條初始可行的采集順序T；記錄采集順序T的代價為f(T)，值為該采集順序所對應的路徑的長度；設置最大迭代次數(shù)N，當前迭代次數(shù)為0；

步驟(2.2)、以總路徑長度最短為目標迭代搜索哈密頓回路；按照啟發(fā)式策略取消k條邊，同時補上另外k條邊，得到一條新的可行采集順序T′，如果f(T′)＜f(T)，則T＝T′，即存儲當前的最優(yōu)路徑；此時，當前迭代次數(shù)增加一；如果當前迭代次數(shù)等于最大迭代次數(shù)N，則進行步驟(2.3)，否則重復步驟(2.2)；

步驟(2.3)、根據(jù)記錄的最優(yōu)路徑，得到傳感器采集順序；

步驟(3)、對場景地圖進行柵格化處理，根據(jù)步驟(2)獲得的傳感器數(shù)據(jù)采集順序，利用無人機采集過程中所在格點的能耗轉移關系進行遞推，輔以剪枝策略，確定最終的無人機能耗最優(yōu)的飛行軌跡和飛行速度；

所述步驟(3)的具體方法如下：

步驟(3.1)、對場景地圖進行柵格化處理；將原本長L、寬H的場景地圖劃分為多個柵格，柵格的四個頂點作為合法點，這樣就將原本連續(xù)的點集變?yōu)殡x散的點集；使用d表示柵格的邊長，則場景中一共有LH/d²個柵格；對柵格進行編號，原點(0，0)處對應柵格的編號為1，沿著水平方向依次遞增，則點(L，0)處對應的柵格編號為L/d，編號為(K/d+1)的柵格則位于點(0，d)處，后續(xù)柵格的編號依舊沿著水平方向依次增加，直至達到點(L，H)；地圖中只有柵格的四個頂點可作為無人機的轉向點，定義柵格的頂點為離散點p^dis＝(x^dis，y^dis)；

步驟(3.2)、利用無人機采集過程中所在格點的能耗轉移關系進行遞推，計算無人機從點S出發(fā)在點p^dis采集完傳感器i所有數(shù)據(jù)時所消耗的能耗，計算過程中通過剪枝策略提高算法效率；狀態(tài)轉移公式如下：

其中，Order[i]表示無人機的采集順序，其中i＝1，...，n；Order[k]即表示采集的第k個傳感器；函數(shù)g(i，p^dis)表示無人機從點S出發(fā)在點p^dis采集完傳感器i所有數(shù)據(jù)時所消耗的能耗；函數(shù)cos(i，p₁，p₂)表示無人機從點p₁飛往點p₂且采集完傳感器i的數(shù)據(jù)的最優(yōu)能耗，當i＝0時表示無人機不采集數(shù)據(jù)；集合s_i表示位于傳感器i傳輸范圍內(nèi)所有離散點的集合；通過該公式可以得到任意的k∈{2，...，n}和任意的p∈s_Order[k]所對應的g(sOrder[k]，p)的值；

所述步驟(3.2)中，集合s_i表示位于傳感器i傳輸范圍內(nèi)所有離散點的集合，具體描述如下：

步驟(3.3)、計算無人機飛行到點D且采集完所有傳感器數(shù)據(jù)的飛行能耗E，公式如下：

步驟(3.2)中，函數(shù)cos(i，p₁，p₂)表示無人機從點p₁飛往點p₂且采集完傳感器i的數(shù)據(jù)的最優(yōu)能耗，其具體計算可分為采集數(shù)據(jù)經(jīng)過傳輸邊界、傳輸范圍內(nèi)進行采集數(shù)據(jù)、不采集數(shù)據(jù)三種情況：

情況一：需要采集傳感器k的數(shù)據(jù)且起始點p₁位于傳感器傳輸范圍外，設p₃是飛行過程中與傳感器傳輸范圍邊界的交點，此時

情況二：需要采集傳感器k的數(shù)據(jù)，但點p₁位于傳感器傳輸范圍內(nèi)，此時

情況三：不需要采集傳感器數(shù)據(jù)，此時

步驟(3.2)中，剪枝策略具體指，假設點p為傳感器Order[k-1]的轉向點，1＜k＜n，點q為傳感器Order[k]候選集中的某一離散點，若點q距離點p的距離小于v*t_Order[k]且點q不在傳感器Order[k]與Order[k+1]的候選集的重合區(qū)域內(nèi)，則點q一定不為最優(yōu)解中的轉向點；

步驟(3.4)、回溯無人機的每一個轉向點及飛行路徑上的速度，并利用轉向點計算出無人機飛行軌跡。